6KW单相并网光伏逆变器开题报告(裴益民)

毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 毕业设计（论文）学生开题报告课题名称 6kW单相并网光伏逆变器设计课题来源 自主选题 课题类型 AY 指导教师 蒋云昊学生姓名 裴益民 学 号 1310200605 专业班级 13 电气 1 班1. 课题概述与研究意义（ 1）本课题的研究意义随着世界经济的进步，科技的发展， 人们对电能的需求越来越多， 对于供电和配电，用电的电能质量要求也越来越高。然而，现今各种化石能源逐年减少， 人类必须找寻新的替代能源。太阳能作为一种可再生清洁能源得到了人们的青睐。 太阳能光伏并网发电已成为新能源开发利用领域的一个重要方向。 光伏并网发电就是将光伏发电系统直接与电网相连， 省掉了体积庞大、价格昂贵、不容易维护的蓄电池。并网逆变器作为光伏并网发电系统的关键设备之一， 其性能对提高光伏发电效率，降低成本具有重要意义。随着太阳能应用技术的发展， 光伏发电系统的主流发展趋势无疑将是并网光伏发电。 而作为光伏并网发电系统关键装置之一的并网逆变器， 其运行性能则直接影响光伏并网发电系统的安全、 可靠和高效率运行。 目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电， 而蓄电池直接给负载供电， 如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。 此类系统结构简单， 成本低廉，但由于负载直流电压的不同，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。 另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模式，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。近几年，太阳能光伏产业的快速发展，为这一新兴产业的全球化奠定了良好的基础。本文在学习光伏逆变器工作原理以及前人研究的基础上， 进一步研究了光伏并网发电系统的核心问题—最大功率点的跟踪， 并对光伏并网逆变器的控制策略进行了较为深入的理论分析和研究。毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 (2) 本课题的国内外研究现状在国外，逆变器技术己经非常成熟，如德国的 sMA和美国的 Satcon 等公司的产品己经市场化了，其中 SMA公司生产的光伏逆变器已占有欧洲市场的一半左右。与欧洲相比， 以美国、 日本为代表的发达国家所生产的并网逆变器技术也是非常成熟的。到目前为止， SMA光伏并网逆变器主要分为三类 : 组串型光伏逆变器、集中式光伏逆变器和多支路光伏并网逆变器，其中由 SMA生产的 SB (Sunny boy) 系列的光伏并网逆变器为例，其特点是 : 逆变效率高、功率因数接近 1、失真度小。多支路光伏逆变器是 SMA公司的新产品， 其具有最大功率点跟踪功能和直流交流两种能级结构， 多个并联支路共用一个逆变电路。 西门子公司生产的光伏并网逆变器与SMA公司的逆变器不同的是它采用了主从式结构，这种逆变器是多个逆变器通过串并联来到达用户要求容量光伏发电系统。除了上述两家公司以外，美国的 Satcon公司所生产的光伏逆变器类型和西门子的产品基本相同， 为了满足客户的需要也将多台逆变器并联构成系统， 而且在逆变器中集成了 MPPT(Maximum Power Point Tracking: 最大功率点跟踪 ) 环节。与国外发达国家相比，我国的光伏逆变器技术还有很大的差距。就国内而言，合肥阳光电源有限公司、 中国科学院电工研究所等科研单位对光伏逆变器进行了研究，并研制成功了小中大功率的逆变器，其逆变效率接近国际水平。现在国内对光伏并网逆变器的研究还是采用 MPPT和逆变器分离的结构，并且产品型号也比较单一，最为重要的是光伏并网逆变器的生产和我国的光伏产业政策还没有达到一致。但是随着电力电子及控制技术的发展， 我国在光伏发电产业方面， 面临如此巨大的国内市场需求和广阔的发展前景， 要实现国内光伏发电的商业化， 就必须全面提升我国的光伏并网技术， 特别是核心技术即光伏逆变器， 这样光伏发电在我国才会得到更加全面的发展， 因此要发展我国的光伏发电系统必须真正掌握光伏发电的核心即逆变器技术。毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 2. 研究内容与设计方案（ 1）研究内容研究重点主要集中在 DC-DC和 DC-AC两级能量变换的结构。 DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其达到跟踪最大功率点 ;DC-AC 逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数，其中 DC-AC是研究重心。（ 2）设计方案以实验为主，分析设计为辅，整体分析为主，环节分析为辅。本课题首先分析光伏逆变器的系统结构， 再将系统中分解为若干重要环节， 控制电路， 最大功率跟踪控制 MPPT，反孤岛效应的控制等，再分析各个环节在系统结构中的最优选择，最后采用实验的方法验证理论结果。研究步骤：1. 查找资料，了解逆变器的功能。2. 系统总体设计，根据系统功能，选择各模块所用电路形式。3. 参数选择，据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。4. 设计总电路图，连接各模块电路。5. 软件设计。6. 电路安装。7. 调试程序，并测量该系统的各项指标。（ 3）实施方案的选择、论证和可行性分析①系统方案的选择及论证光伏并网发电系统的核心是逆变器， 它分为两类： 光伏并网发电系统的核心是逆变器，它分为两类 : 电流型光伏并网逆变器和电压型光伏并网逆变器。电流型的光伏并网逆变器的特征是在逆变过程中， 经过电感滤波， 直流电流基本恒定， 逆变器直流侧相当于电流源。 那么整个逆变器的直流侧则为高阻抗特性， 而电压型光伏并网逆变器的的特征是在逆变过程中， 经过电容滤波， 直流电流基本恒定， 逆变器直流侧相当于电压源。 当前， 从结构上把光伏发电系统分为工频和高频两种。 所谓工频太阳能光伏并网逆变器就是在逆变器后带有工频变压器， 其原理把太阳能光伏电池发出的直流电先通过 DC/AC转化为高频的正弦脉宽幅度调制 (SPWM: Sinusoidal pulse width modulation:) 波， 再经滤波电路， 最后通过工频变压器和电网连接，实现并网发电。毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 ②控制技术目前， 逆变器的控制模式一般分为四种类型， 分别为电压源电压控制型、 电压源电流控制型、 电流源电压控制型和电流源电流控制型， 以上所述的逆变器类型已被广泛地应用在不断电电源供应器、 交流电机驱动电路及并网系统等产品中。 当前光伏并网逆变器的输出主要为电压型和电流型两种控制模式， 如果光伏并网逆变器的输出采用电压作为控制量， 则实际上就是两个不同的电压源并联运行， 这种情况下逆变器输出电压的值不能精确地被控制， 结果可能会出现换流等问题， 所以在中小功率逆变器的并网中， 一般采用电流型控制。 电流型控制就是把输出电感电流作为控制对象， 控制目标就是使得输出电流的频率、 相位和电网电压一致， 保证系统的功率因数为 1。③调制方法驱动信号采用的是 SPWM波， 这是在逆变电路中应用较为广泛的一种逆变技术。下面对单相逆变电路中常用的两种方法 : 单极性 SPWM波和双极性 SPWM波的调制进行介绍。 单极性 SPWM调制因其在每个开关周期内逆变输出电压只有零电压和一个正负电平而得名， 它只适用于全桥逆变电路。 对于一个具体的逆变电路， 是采用单极性还是双极性 SPWM控制方式，取决于主电路本身的结构，在单相桥式逆变电路中，不仅可用单极性 SPWM控制，也可采用双极性 SPWM控制，在同等的情况下，单极性 SPWM调制波比双极性 SPWM调制波的谐波分量小些， 因此本论文采用单极性 SPWM控制方式来控制单相桥式逆变电路。④控制及实现方法太阳能电池发出的直流电经过升压斩波电路、 直流侧滤波电路得到稳定的直流电压， 然后经过单相全桥逆变， 得到频率高、 幅值和直流输入相同的交流 SPWM波，交流的 SPWM脉冲电压经过 LC滤波器滤波后与变压器相连， 最后再与电网相连， 这样通过控制逆变电压的频率和相位就可以控制并网输出电流。可行性分析： 最后为了验证所采用的控制算法的正确性， 在 Simulink 中搭建基于前馈解耦的双闭环控制模型和基于 SPWM 调制的不对称规则采样法控制模型，对主电路和控制系统相关参数进行设计，进行离线仿真验证理论算法的正确性。毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 3．设计进度安排第 1-3 周：查阅光伏逆变器的相关资料，了解单相光伏逆变器发展历史及现状，并阅读研究 中外论文 35 篇，同时撰写开题报告。第 4-5 周：提交开题报告，准备开题。第 6-7 周：根据前期调研的结果，选择符合经济技术的最终设计方案，并开始对光伏逆变器的主电路进行设计。第 7-8 周：对 6KW单相光伏逆变器的控制电路设计并绘制出原理图。第 9-10 周：对 6KW单相光伏逆变器的辅助电路设计。第 11 周：运用 Simulink 对 6KW单相光伏逆变器进行仿真分析和验证。第 12 周：进一步整理完善设计，准备撰写毕业论文。第 13-14 周：撰写毕业论文，完善提交所有内容，准备答辩。第 15 周：答辩预期成果：（ 1） 完整阅读完关逆变器的 30 篇中外论文文献，熟悉逆变器的工作原理；（ 2） 具有明确的设计方案，且能选择出最优方案设计逆变器系统；（ 3） 对电路系统设计具有相关分析，并能计算出符合设计标准的参数；（ 4） 能用 PCB 软件画出各个电路系统的原理图；（ 5） 对逆变器所需的元器件能合理的选型，并能列出相应的元器件清单；（ 6） 搭建逆变器的系统模型，并能通过仿真验证设计系统的可行性；（ 7） 提交完整的毕业设计论文，完成毕业论文答辩。毕业设计（论文）专用纸13 电气 1 班裴益民 1310200605 4. 参考文献[1] 廖晓科 , 夏向阳 , 罗安 , 李茂军 . 大功率有源电力滤波器的建模与应用[J]. 高电压技术 . 2007(10) [2] 白志红 , 张仲超 . 一类单相电流型多电平逆变器拓扑及其 PWM方法的研究 [J]. 中国电机工程学报 . 2007(25) [3] 章 建 峰 . 死 区 时 间 对 正 弦 输 出 电 压 的 影 响 研 究 [J]. 机 电 设 备 . 2007(05) [4] 陈良亮 , 丁志刚 , 曾忠 , 严仰光 . 闭环 SPWM逆变器死区时间对输出基波电压的影响 [J]. 电机与控制学报 . 2006(05) [5] 丛晓艳 , 尚雷 , 陆业明 . PFN充电高压电源的 IGBT 驱动电路设计 [J]. 高电压技术 . 2006(02) [6] 郑德春 , 姚庆栋 , 刘鹏 , 余巧燕 . 嵌入式模拟器中的 JTAG应用 [J]. 浙江大学学报 ( 工学版 ). 2006(01) [7] 熊宇 , 王培容 , 鲍建宇 , 张仲超 . 一种新的分相控制式三相电流型五电平逆变器 [J]. 中国电机工程学报 . 2005(16) [8] 陈兴峰 , 曹志峰 , 焦在强 , 许洪华 . 基于 DSP的 20kW单相并网光伏逆变器[J]. 电气应用 . 2005(08) [9] 沈玉梁 , 苏建徽 , 赵为 , 余世杰 . 不可调度式单相光伏并网装置的平波电容容量的选择 [J]. 太阳能学报 . 2003(05) [10]S. Nonaka ， Y Neba. Single-phase composite PWM Voltage source converter. Proceedingsof the IEEEiddustry applications society annual meeting, 1994,761-768 [11]K.Taketani, N.Yoshioka, 6kWp solar powered pumping system for Thailand, proc,2“dinternational Photovoltaic science&Engineering conference[R], Beijing ,China, August1986,pp.58-61. [12]G. Nottona ， V Lazarov“, L. Stoyanova b. Optimal sizing of a 幼d-connected PVsystme forvarious PV module technologies and inclinations,inverter efficiency characteristics andlocations. 2010(35),541-554 [13]M.Kusakawa,H.Nagayashi.Further improvement of a transformerless, voltage-boostinginverter for ac modules[J], Solar energy mater. Solar cells, vo1.67,pp.379-387 [14] 孙兴涛，孙力等一种新型电压型逆变器拓扑结构及其 PWM控制方法[[J]. 电一卜技术学报， 2007(4):75-79 [15]Kyoungsoo Ro, Rahman, S, Two-loop controller for maximizing performance of agrid-connected photovoltaic-fuel cell hybrid power plant[J], Energy conversion, IEEETransactions on, Volume:l3, Issue:3, Sept.1998,page:276-281.